Лекции по Компонентам ВОЛТ   

1. Оптические волокна. Оптические кабели

1.1.  Общие сведения

Волоконно-оптические кабели используются в качестве основной физической среды передачи в волоконно-оптическом линейном тракте (ВОЛТ) оборудования синхронной цифровой иерархии (СЦИ).

Преимущества использования оптических кабелей (ОК) по сравнению с медными:

·        огромная пропускная способность (другими словами: большая полоса пропускания),

Скорость передачи информации по одному оптическому волокну (ОВ) составляет несколько Терабит в секунду

·        малое затухание светового сигнала в волокне,

На длине волны 1, 55 мкм коэффициент затухания ОВ составляет 0,2 дБ/км

·        высокая помехозащищенность и малое собственное излучение,

ОВ невосприимчиво к электромагнитным помехам. В оптическом кабеле не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения отдельных волокон

·        высокая защищенность от несанкционированного доступа

Передаваемую по ОВ информацию трудно «подслушать», не нарушая приема-передачи

·        малый вес и объем и др.

Для количественной оценки линейного тракта ВОСП вводят понятие энергетического потенциала ВОСП (Budget).

ЭПВОСП= рпер–рпр мин,    дБ,

где

pпер макс    –   уровень мощности передатчика,

pпр мин      –   минимальный уровень мощности приемника, другими словами   чувствительность приемника.

Абсолютный уровень мощности  р = ,   дБм,

   где Px–измеряемая мощность в мВт, Р0 = 1мВт,

относительный уровень мощности р = ,  дБ,

   где Р1 и Р2   –   любые мощности.

Оптическое волокно представляет собой моноструктуру в виде сердцевины и оболочки, изготавливаемую из кварцевого стекла с различными показателями преломления (причем nсерд >nобол, где n—показатель преломления).

n = c0/ V,

где c0 — скорость электромагнитной волны в вакууме,

V— скорость электромагнитной волны в физической среде (в оптическом волокне).

Так как кварцевое стекло хрупкое, оптическое волокно покрывают защитными оболочками из полимерных материалов (рис.1).

Рис.1

Оптическое волокно, защищенное одной или несколькими защитными оболочками, называется первичным оптическим модулем.

Первичный оптический модуль или совокупность оптических модулей составляют основу оптического кабеля.

Оптические кабели имеют различные /достаточно сложные/ конструкции, отвечающие тем или иным условиям применения.

Используемый в ВОСП диапазон длин волн оптических волокон на основе кварцевого стекла составляет от 850 нм до 1675 нм (рис.2).

Рис.2

Оборудование СЦИ работает во 2-ом и  3-ем окнах прозрачности, что соответствует длинам волн 1310 нм и 1550 нм.

Окно прозрачности – это область длин волн на кривой затухания, где коэффициент затухания имеет минимальное значение. 1-е окно прозрачности соответствует длине волны 850 нм, 2-е окно прозрачности – 1310 нм, 3-е – 1550 нм, 4-е – 1620 нм, 5-е – 1420 нм.

Основой конструирования ОК и основным принципом работы ОК является реализация закона Снеллиуса (рис.3). Если луч падает на границу раздела двух сред (n1 и n2), то он частично отражается, а частично проходит в другую среду (преломляется).

n1sinΘпад= n2sinΘпрелом

Рис.3

Физической основой передачи светового сигнала по оптическому волокну служит явление полного внутреннего отражения света от границы раздела двух сред с различными показателями преломления (условие выполнения этого явления - угол преломления = 90°).

Подбирая n1 и n2, можно добиться того, что угол преломления составил 90° (рис.3).

Различают следующие типы лучей в ОВ:

·        Направляемые — основной тип лучей, претерпевают полное внутреннее отражение (апертурные лучи на рис.4)

·        Вытекающие — на границе сердцевина-оболочка преломляются и распространяются в оболочке, теряя при этом часть энергии. На некотором расстоянии от начала волокна затухают (примерно 1-3 км). (неапертурные лучи на рис.4)

·        Излучаемые — излучаются из оболочки в окружающее пространство

Рис.4

Учитывая конечный диаметр сердцевины (рис.4), в ОВ попадает не один луч, а поток лучей, образующих входной конус с углом при вершине 2Qкрит,определяемым так называемой числовой апертурой NA (эквивалентом половинного угла при вершине конуса, равного апертурному углу Qкрит):

NA0 = sinQкрит = ,

где nс – показатель преломления  сердцевины, nо – показатель преломления  оболочки.

Лучи, которые попадают под углом Q≤Qкрит – апертурные, если нет - неапертурные.

Применяются многомодовые и одномодовые ОВ.

Модатип электромагнитной волны с соответствующими характерными признаками (траектория распространения (прямолинейная, криволинейная); соотношение диаметра сердцевины и длины волны λ ; плоскость поляризации электромагнитной волны).

Количество мод, распространяющихся в ОВ, находится из решения системы уравнений Максвелла.

В оптике основная волна НЕ11- основная мода.

В одномодовых волокнах распространяется один тип волны (одна мода НЕ11).

В многомодовых волокнах распространяется много типов волн.

К основным передаточным параметрам оптических волокон и, следовательно, оптических кабелей относятся:

·        рабочая длина волны;

·        коэффициент затухания (километрическое затухание);

·        пропускная способность, которая для многомодовых ОВ оценивается    коэффициентом широкополосности, а для одномодовых — коэффициентом дисперсии.

Рабочая длина волны определяется одним из окон прозрачности кварцевого стекла (850, 1310, 1550 нм).

Затухание ОК определяется собственными потерями ОВ (поглощением, рассеянием, излучением) и потерями, связанными с монтажом кабеля, при изгибе, при прокладке кабеля, с технологией производства кабеля (микроизгибы). Детально составляющие затухания ОК показаны на рис.5.

Рис.5

Дисперсия — это рассеяние во времени отдельных спектральных составляющих оптического излучения. Дисперсия (рис.6) приводит к уширению импульса на выходе ОВ, т.е. к межсимвольной интерференции и увеличению коэффициента ошибок, т.к. разные спектральные составляющие имеют разные скорости и огибающая импульса на выходе ОК искажается.

Результатом этого являются межсимвольные помехи, что приводит к увеличению коэффициента ошибок Кош при заданной скорости передачи и заданной длине регенерационного участка Lр.

Среднеквадратическая разность длительностей импульсов на входе и выходе ОВ называется уширением импульса.

В оптическом кабеле, в отличие от электрического, длина регенерационного участка Lр определяется еще и дисперсией.

Причины дисперсии:

·           диспергирующая среда (особенности структуры ОВ);

·           некогерентность источника излучения, его несовершенство (конечная ширина спектра излучения);

·           показатель преломления, (закон его изменения (профильная дисперсия));

·           несовершенство конструкции ОВ (эллиптичность сердцевины) (поляризационная модовая дисперсия)

Различают хроматическую материальную и волноводную – и

поляризационную модовую (ПМД) дисперсии (рис.6). Межмодовая дисперсия возникает в многомодовых волокнах.

Материальная дисперсия – зависимость скорости распространения луча (волны) от длины волны или зависимость показателя преломления от длины волны.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому волноводная дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра источника излучения.

Для лазерных диодов (ЛД) с шириной спектра излучения Δλ < 0,1 нм при переходе со скорости передачи 2,5 Гбит/с на 10 Гбит/с из-за хроматической дисперсии протяженность линии уменьшается в 16 раз. Методы, уменьшающие хроматическую дисперсию, ведут к увеличению потерь, стоимости, сложности. Для стандартного одномодового волокна G.652 для скорости передачи 10 Гбит/с длина линии связи без компенсации дисперсии составляет Lр = 50-75 км.

Рис.6

Хроматическая дисперсия оценивается коэффициентом хроматической дисперсии в пс/нм/км и наклоном кривой дисперсии в пс/нм2/км.

Хроматическую дисперсию в ОВ можно скомпенсировать с помощью компенсаторов хроматической дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия PMD (Polarization Mode Dispersion) возникает из-за различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих излучения (рис.7).

Рис.7

            В оптической линии связи PMD обычно накапливается статистически, как квадратный корень из длины пути L , а не линейно. Полное значение PMD имеет размерность времени (обычно измеряется в пс) и определяется по формуле:

,


где KPMD - коэффициент PMD (пс/км1/2).
Физический смысл KPMD - это дисперсия PMD на длине волокна 1 км.



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.